di Fernando Gonzalez, principal applications engineer, Analog Power and Interface Division (APID), Microchip Technology
L’Universal Serial Bus (USB) è nato come interfaccia dati, ma non ci è voluto molto prima che iniziasse a essere utilizzato per alimentare i dispositivi. Inizialmente la sua potenza massima era di soli 2,5W, ora può fornire fino a 240W tramite cavi e connettori USB Type-C®, potenza di elaborazione, dati e video. Questa revisione è nota come Extended Power Range (EPR) o USB Power Delivery Specification 3.1 (USB PD 3.1), introdotta dall’USB Implementers Forum (USB IF). L’EPR utilizza livelli di tensione più elevati, 28 V, 36 V e 48 V, che a 5 A erogheranno rispettivamente una potenza di 140W, 180W e 240W.
USB PD 3.1 ha una modalità di alimentazione a tensione regolabile, che consente tensioni intermedie tra 9 V e la tensione fissa più alta del caricatore. Ciò consente una maggiore flessibilità, soddisfacendo le esigenze di alimentazione dei singoli dispositivi. USB PD 3.1 è retrocompatibile con le versioni USB precedenti, tra cui Legacy, fino a 15W (5 V/3 A) e la modalità Standard Power Range (SPR) inferiore a 100W (20 V/5 A).
La capacità di negoziare la potenza per ciascun dispositivo è un punto di forza importante di questa specifica. Ad esempio, un dispositivo consuma solo la potenza di cui ha bisogno, che varia a seconda dell’applicazione. Questo vale per le periferiche, dove un processo di gestione dell’alimentazione consente a ciascun dispositivo di prendere solo la potenza di cui ha bisogno.
La specifica USB PD 3.1 ha trovato posto in una vasta gamma di applicazioni tra cui laptop, postazioni di gioco, monitor, macchinari e strumenti industriali, piccoli robot e droni, e-bike e altro.
Microchip USB-PD Demo Board
Microchip fornisce la USB Power Delivery (PD) Dual Charging Port Demonstration Application, che supporta la specifica USB PD 3.1. La MCP19061 USB PD Dual Charging Port (DCP) reference board (Figura 1) è preconfigurata per dimostrare l’uso di questa tecnologia in applicazioni reali. La scheda è completamente assemblata, programmata e testata per valutare e dimostrare applicazioni di ricarica intelligente controllate digitalmente per diversi carichi USB-PD, consentendo a ciascun dispositivo collegato di richiedere il livello di potenza ottimale per il proprio funzionamento.
Figura 1: Scheda MCP19061 USB Dual Charging Port (DCP)
La scheda mostra un circuito di ricarica di esempio con robuste protezioni, allocazione della carica tra le due porte e disponibilità del profilo di carica riconfigurabile dinamicamente (tensione e corrente) per un dato carico. Questa funzione di bilanciamento dell’alimentazione tra le porte fornisce un migliore controllo sul processo di ricarica, oltre a fornire la giusta quantità di energia a ciascun dispositivo.
La scheda fornisce tensioni di uscita da 3V a 21V e correnti di uscita da 0,5A a 3A. La sua gamma di tensione di ingresso massima va da 6V a 18V, con 12V quale valore raccomandato. La scheda viene fornita con un firmware progettato per funzionare con una GUI e contiene header per la programmazione seriale in circuito (ICSP) e la comunicazione I2C.
Una scheda di collegamento USB<->seriale inclusa (come la scheda di espansione BB62Z76A MCP2221A USB) con l’interfaccia grafica utente consente di testare rapidamente diverse configurazioni con dispositivi di carico reali in carica sulle due porte. La GUI della scheda DCP richiede un PC con sistema operativo Microsoft Windows 7-11 e una porta USB 2.0. L’interfaccia grafica utente mostra quindi i parametri, lo stato della scheda e gli errori e consente la configurazione da parte dell’utente.
Componenti della scheda DCP
Essendo una scheda a doppia porta, ci sono due canali USB-PD indipendenti (Figura 2), ciascuno con il proprio front-end analogico (AFE) dedicato. L’AFE nel dispositivo Microchip MCP19061 è un controller di potenza buck boost, 4-switch, mixed-signal, controllato digitalmente, con driver sincroni integrati e interfaccia I2C (ved. schema a blocchi nella Figura 3).
Figura 2: due canali USB-PD gestiti in modo indipendente sulla scheda DCP alimentata da MCP19061
Figura 3: schema a blocchi del dispositivo buck-boost a 4-switch MCP19061
Inoltre, uno dei canali dispone del dispositivo Microchip MCP22350, un controller USB Type-C PD 2.0 altamente integrato e di piccolo formato, mentre l’altro canale contiene un dispositivo Microchip MCP22301, ossia un controller di porta USB Type-C PD autonomo, che supporta la specifica USB PD 3.0.
L’MCP22350 funge da controller PD complementare a un microcontroller esterno, System on Chip (SoC) o hub USB, mentre l’MCP22301 è un dispositivo PD integrato, con la funzionalità del microcontroller SAMD20, un Arm® Cortex® -M0+ a 32 bit a basso consumo, con aggiunti MCP22350 PD Media Access Control e Physical Layer (MAC/PHY).
Ogni canale ha anche il proprio protettore di porta USB Type-C UCS4002, che protegge dai guasti ma protegge anche l’integrità del processo di ricarica e il trasferimento dei dati (vedi Figura 4).
Tradizionalmente, un connettore USB Type-C incorpora le linee dati D+/D- (USB2), Rx/Tx per USB3.x o USB4, le linee del canale di configurazione (CC) per il controllo della modalità di carica, le linee di utilizzo della banda laterale (SBU) per le funzioni opzionali e la messa a terra (GND). L’UCS4002 protegge le linee CC e D+/D- da cortocircuiti della batteria.
Offre inoltre protezione da cortocircuito della batteria short-to-GND (SG_SENS) per le porte di ricarica. Gli switching VCONN FETs integrati (VCONN è un pin di alimentazione dedicato nel connettore USB Type-C) forniscono protezione da sovratensione, sottotensione, tensione inversa e sovracorrente attraverso la tensione VCONN. Il rail di ingresso della scheda include uno switch PMOS per la protezione da inversione di polarità e un filtro EMI CLC. Sono inoltre presenti caratteristiche quali un fusibile VDD e lo spegnimento termico, abilitato da un sensore di temperatura dedicato, l’MCP9700, che monitora la temperatura della scheda.
Figure 4: schema a blocchi del dispositivo di protezione della porta USB UCS4002
L’UCS4002 fornisce anche la configurabilità della segnalazione dei guasti tramite il pin FCONFIG, consentendo agli utenti di configurare il comportamento del pin FAULT#. I pin CC, D+ , D- e SG_SENS sono protetti da ESD per soddisfare gli standard IEC 61000-4-2 e ISO 10605.
La scheda DCP include un alimentatore ausiliario basato sul regolatore di modalità di commutazione step-down integrato MCP16331 che fornisce una tensione di +5V e un regolatore lineare LDO MCP1825 che fornisce una tensione ausiliaria di +3,3 V.
Funzionamento della scheda
La scheda DCP MCP19061 mostra come il dispositivo MCP19061 opera in una topologia buck boost 4-switch allo scopo di alimentare i carichi USB e caricandoli con la tensione richiesta entro un intervallo consentito, indipendentemente dal valore della tensione di ingresso. È configurata per regolare in modo indipendente la quantità di tensione e corrente di uscita per ciascun canale USB (il loro profilo di ricarica individuale), comunicando contemporaneamente con i carichi collegati USB-C utilizzando i protocolli stack USB-PD.
Tutti i parametri operativi sono programmabili utilizzando i due controller USB-PD integrati di Microchip, attraverso una riconfigurazione dinamica e la personalizzazione delle operazioni di ricarica, della conversione di potenza e di altri parametri di sistema. La demo mostra come abilitare la capacità di ricarica rapida dell’alimentatore programmabile USB-PD (PPS) per una tecnologia di ricarica avanzata in grado di modificare la tensione e la corrente in tempo reale, per ottenere la massima potenza in uscita in base allo stato di carica del dispositivo.
Il dispositivo MCP19061 funziona in combinazione con circuiti di controllo del rilevamento di corrente e tensione, per monitorare e regolare la tensione e la corrente di carico. Inoltre, la scheda rileva automaticamente la presenza o la rimozione di un carico conforme a USB-PD. Quando un carico conforme a USB-PD è collegato alla Porta 1 di USB-C (sul lato destro del PCB, questa è la più alta), la comunicazione USB inizia e la scheda MCP19061 DCP visualizza i profili di ricarica sotto la finestra della Porta 1.
Se un altro carico USB-PD è collegato alla Porta 2 di USB-C, la finestra della Porta 2 viene popolata allo stesso modo.
Il controller PWM MCP19061 di Microchip.
L’MCP19061 è un controller buck-boost a 4-switch, mixed-signal, altamente integrato, che opera da +4,5 V a +36 V e può sopportare fino a +42 V non operativi. Sono stati aggiunti vari miglioramenti al MCP19061 per fornire la compatibilità USB-PD con componenti esterni minimi per una migliore calibrazione, precisione e flessibilità.
È dotato di un controller PWM digitale con un bus di comunicazione seriale per la programmabilità e reporting esterni. Il modulatore regola il flusso di potenza controllando la lunghezza dei periodi di attivazione e disattivazione del segnale o le larghezze degli impulsi.
Il funzionamento dell’MCP19061 consente una conversione di potenza efficiente, con la capacità di operare in topologie buck (step-down), boost (step-up) e buck-boost, per vari livelli di tensione che sono inferiori, superiori o uguali alla tensione di ingresso. Fornisce un’eccellente precisione ed efficienza nelle conversioni di potenza per i sistemi integrati, riducendo al minimo le perdite di potenza. Le sue caratteristiche includono frequenze di commutazione regolabili, driver MOSFET integrati e protezione avanzata dai guasti.
I parametri operativi, i livelli di protezione e le procedure di gestione dei guasti sono supervisionati da una macchina a stati proprietaria memorizzata nella sua memoria non volatile. Vengono memorizzati anche i parametri di funzionamento.
I registri digitali interni gestiscono la personalizzazione dei parametri operativi, i profili di avvio e spegnimento, i livelli di protezione e le procedure di gestione dei guasti.
Per impostare la corrente e la tensione di uscita, viene utilizzata una tensione di riferimento integrata ad alta precisione. I divisori interni di ingresso e uscita facilitano la progettazione mantenendo un’elevata precisione. Un amplificatore current sense amplifier (CSA) ad alta precisione consente una regolazione e una misurazione precise della corrente.
L’MCP19061 contiene tre LDO interni: LDO da 5 V (VDD) per alimentare i circuiti analogici interni e i gate driver, nonché per fornire 5 V all’esterno, LDO da 4V (AVDD) che alimenta i circuiti analogici interni e LDO da 1,8 V che alimenta i circuiti logici interni.
L’MCP19061 è confezionato in un VQFN 32-lead 5 mm x 5 mm, consentendo ai progettisti di sistemi di personalizzare le funzionalità specifiche dell’applicazione senza costose schede e costi aggiuntivi per i componenti. Un bus seriale I2C da 1 MHz consente la comunicazione tra l’MCP19061 e il controller di sistema. L’MCP19061 può essere programmato esternamente. Per la sua ulteriore valutazione e test, Microchip fornisce una scheda di valutazione dedicata all’ MCP19061, la EV82S16A.
